- Der Globus INK des Sojus-Raumschiffs war ein elektromechanischer analoger Navigationsanzeiger, der die Position über der Erde mit einem rotierenden Globus darstellte und die Bahnposition mit Zahnrädern, Nocken und Differenzialgetrieben berechnete
- Anders als der Apollo Guidance Computer erhielt er weder Eingaben von einer IMU noch von externen Navigationsquellen; der Kosmonaut stellte daher die Anfangsposition und Umlaufperiode von Hand ein, woraufhin das Gerät eine vorhergesagte Position anzeigte
- Die Globusachse war auf 51,8° fixiert, um die Standardbahn der Sojus nachzubilden; dadurch entstand jedoch die große Einschränkung, dass nur Kreisbahnen mit festem Neigungswinkel unterstützt wurden
- Der Modus zur Landevorhersage zeigt die Landeposition an, falls die Bremsrakete genau jetzt gezündet würde; dabei wird der Globus über Landewinkel, Motor und Endschalter um einen Teilorbit weitergedreht, was eine Genauigkeit von etwa 150 km liefert
- Der Globus INK bot eine hochauflösende Vollfarb-Erdanzeige, die mit elektronischen Computern der 1960er Jahre schwer umzusetzen war, wurde aber wegen der manuellen Einstellung und der Bahnbegrenzungen 2002 im Soyuz-TMA durch ein Digitaldisplay ersetzt
Die Position der Sojus auf einem rotierenden Globus
- Globus INK wurde offiziell mit dem russischen Akronym ИНК als „space navigation indicator“ bezeichnet und zeigt die Position auf der Erde unter dem Sojus-Raumschiff mit einem rotierenden Globus an
- Der Globus bewegt sich unter einem festen Fadenkreuz in einer Kunststoffkuppel, sodass Kosmonauten das Gelände außerhalb des Fensters mit der angezeigten Position vergleichen können
- Auch die Anzeigen rund um den Globus liefern Navigationsinformationen
- Die Skalen links und oben zeigen jeweils Breiten- und Längengrad numerisch an
- Die Licht-/Schatten-Skala unten zeigt an, wann sich das Raumschiff im Sonnenlicht und wann im Erdschatten befindet, was zur Beurteilung von Dockingmanövern genutzt wird
- Der Orbitzähler zeigt die Anzahl der Erdumläufe des Raumschiffs an
- Im zweiten Modus wird der Globus so gedreht, dass die Landeposition unter dem Fadenkreuz erscheint, falls jetzt die Bremsrakete gezündet und das Landeverfahren eingeleitet würde
- Der Kosmonaut kann beurteilen, ob das Gelände an dieser Position für eine Landung geeignet ist
Kein echter Navigationssensor, sondern eine Anzeige für die vorhergesagte Position
- Der Kosmonaut stellt mit Knöpfen die Anfangsposition und die Umlaufperiode ein; anschließend verfolgt der Globus den Bahnfortschritt mit einem elektromechanischen Mechanismus
- Anders als der Apollo Guidance Computer empfängt das Gerät keine Informationen von einer IMU oder anderen Navigationsquellen und ist daher eher eine Anzeige der vorhergesagten Position auf Basis eingestellter Werte als ein Instrument zur Messung der tatsächlichen Position
- Das analysierte Gerät stammt aus einem Fall, in dem ein Sammler einen Globus öffnete, reparierte und per Reverse Engineering untersuchte; im Inneren finden sich neben Zahnrädern, Nocken und Differenzialgetrieben auch Relais, Solenoide und elektrische Bauteile
- Das Gerät war beschädigt
- Auf der Rückseite des Gehäuses befand sich eine große Delle, und die Achse des Globus war aus ihrer Position geraten und griff nicht mehr in die Zahnräder ein
- Der Globus stieß gegen interne Bauteile, wodurch im Bereich von Afrika Kratzer entstanden
- Da sich beim willkürlichen Einsetzen des Globus das Timing von Breiten- und Längengrad verschiebt, musste die Zahnrad-Synchronisation korrekt eingestellt und das Gerät in seinen ursprünglichen Zustand zurückversetzt werden
Die Erdkarte des Globus und die Umsetzung der 51,8°-Bahn
- Der kleine Globus zeigt Geländeformen wie Berge, Seen und Flüsse detailliert, sodass Kosmonauten das Sichtbild mit der Navigationsanzeige abgleichen können
- Die Geländedarstellung war auch für die Auswahl von Landeplätzen wichtig und wurde zur Prüfung des erwarteten Landegebiets genutzt
- Politische Grenzen fehlen weitgehend, doch dicke rote und violette Linien markieren die Grenzen der UdSSR sowie die Trennung zwischen kommunistischem und nichtkommunistischem Block
- Nummerierte Kreise von 1 bis 8 markieren Funkkommunikationspunkte, die mit dem Raumschiff kommunizieren können
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Zwei Rotationen durch feste Achsen
- Der Globus ist keine frei schwebende rotierende Kugel, sondern wird durch im Gerät befestigte Achsen und Zahnräder gesteuert
- Der Äquator des Globus besteht aus einem festen Metallteil und rotiert um die horizontale Achse des Geräts
- Ein zweiter Getriebemechanismus im Inneren dreht den Globus um die Nord-Süd-Achse
- Beide Rotationen werden über im Gerät befestigte konzentrische Achsen übertragen und erzeugen so zwei Rotationsfreiheitsgrade allein mit festen Achsen
-
Die Sojus-Standardbahn mit 51,8°
- Die Achse des Globus ist auf 51,8° eingestellt, um die Standard-Bahnneigung der Sojus zu unterstützen
- Durch diesen Winkel folgt das Fadenkreuz der Standardbahn der Sojus, wenn der Globus nur um die horizontale Achse gedreht wird
- Während sich die Erde dreht, erzeugt die Rotation der beiden Halbkugeln um die Polachse unterschiedliche 51,8°-Bahnen über der Erdoberfläche
- 51,8° ist größer als die Breite des Baikonur-Kosmodroms von 45,97°, weil die Rakete nach Norden geneigt werden musste, damit die Flugbahn nicht über Westchina verläuft
- Eine zugehörige Erklärung ist in dieser Space Stack Exchange-Antwort verlinkt
Große Einschränkungen durch das physische Design
- Da die Bahnneigung als physischer Winkel des Globus-Mechanismus festgelegt ist, wird für unterschiedliche Bahnen jeweils ein anderes Globus-Gerät benötigt
- Das Design kann nur Kreisbahnen verarbeiten und ist deshalb in Situationen mit Bahnänderungen wie Rendezvous und Docking nutzlos
- Wegen dieser Einschränkungen wollten einige Kosmonauten den Globus aus dem Bedienpanel entfernen, doch er blieb bis zum Austausch durch ein Computerdisplay im Soyuz-TMA im Jahr 2002 erhalten
Umlaufperiode und Mechanismus für variable Geschwindigkeit
- Ein Sojus-Orbit dauert etwa 90 Minuten, variiert aber je nach Höhe
- Der Globus besitzt Knöpfe zur Einstellung der Umlaufperiode in Minuten, 0,1 Minuten und 0,01 Minuten und erlaubt einen Bereich von ±5 Minuten um den Referenzwert von 91,85 Minuten
- Das Gerät arbeitet mit festen 27V-Impulsen bei 1 Hz, doch die Rotationsgeschwindigkeit der Bahnachse des Globus muss an die Umlaufperiode angepasst werden
- Die Lösung besteht darin, zur Basissgeschwindigkeit drei Inkremente zu addieren
- Inkrement für die Minuteneinstellung
- Inkrement für die 0,1-Minuten-Einstellung
- Inkrement für die 0,01-Minuten-Einstellung
- Mehrere Differenzialgetriebe werden verwendet, um Rotationsgeschwindigkeiten zu addieren oder zu subtrahieren
- Die variable Rotationsgeschwindigkeit wird mit einer konischen Nocke mit schraubenförmigem Querschnitt erzeugt
- Drei Follower auf der Nocke befinden sich an unterschiedlichen Positionen; am schmalen Ende erzeugen sie eine kleine Rotation, am breiten Ende eine größere
- Durch Verschieben der Follower-Position wird die Rotationsgeschwindigkeit des jeweiligen Followers gewählt
- Nach einer Umdrehung springt die Nocke abrupt auf ihren Anfangsdurchmesser zurück, sodass der Follower in seine Ausgangsposition zurückschnellt
- Damit der Globus nicht rückwärts springt, ist der Follower über eine Rutschkupplung und eine Ratsche mit dem Differenzialgetriebe verbunden
- Die Ratsche blockiert beim Rücksprung die Antriebsachse, sodass der Ausgang insgesamt in eine weitgehend gleichmäßige Rotation übergeht
Berechnung von Breiten-/Längengrad und Licht/Schatten
- Die Anzeigen links und oben am Globus geben jeweils Breiten- und Längengrad des Raumschiffs an
- Breiten- und Längengrad sind durch komplexe Funktionen definiert, die die Umlaufbahn auf den Globus projizieren; diese Funktionen werden durch die Form von Metallnocken umgesetzt
- Für jede Funktion werden zwei Nocken verwendet
- Eine setzt die gewünschte Funktion um
- Die andere ist mit entgegengesetzter Form gefertigt, um die Spannung des nachgiebigen Abtastmechanismus aufrechtzuerhalten
- Die Breiten-Nocke treibt die Breitengradskala an und lässt sie zwischen 51,8°N und 51,8°S pendeln
- Der Längengrad ist wegen der Erdrotation komplexer; der Ausgang der Längengradskala entsteht, indem per Differenzialgetriebe zur Nockenfunktion die Erdrotation addiert wird
- In Formeln lässt sich das als Breite
arcsin(sin i * sin(2πt/T))und Längearctan(cos i * tan(2πt/T)) + Ωt + λ0ausdrücken -
Licht- und Schattenanzeige
- Der Globus besitzt eine Anzeige, die den Zeitpunkt zeigt, zu dem das Raumschiff ins Licht oder in den Schatten eintritt
- Die Skala besteht aus zwei konzentrischen Scheiben und wird mit zwei Knöpfen eingestellt
- Diese Scheiben bewegen sich gemeinsam mit der Raumfahrzeugbahn, während die rote Legende feststeht
- Möglicherweise ist diese Skala über Zahnräder mit der Längengradskala verbunden, doch dieser Teil wird noch untersucht
Modus zur Vorhersage der Landeposition
- Der Globus kann anzeigen, wo das Raumschiff landen würde, wenn jetzt das Wiedereintrittsbremsmanöver begonnen würde
- Die Genauigkeit der Berechnung der Landeposition beträgt 150 km
- Die Berechnung projiziert die aktuelle Bahn um einen Teilorbit nach vorne, abhängig von der Zeit bis zur Landung
- Der Kosmonaut gibt diesen Teilorbit-Anteil als „Landewinkel“ an
- Die elektrolumineszente Anzeige oben links am Gerät zeigt in diesem Modus „Место посадки“ an
- Um die Landeposition zu erhalten, dreht ein Motor den Globus und stoppt, wenn der vorgegebene Winkel erreicht ist
- Ein Einstellknopf am Panel bewegt über ein Schneckengetriebe einen Endschalter auf den gewünschten Winkel
- Wenn der Motor läuft, rotieren Globus und Schwenkarm gemeinsam
- Berührt der Schwenkarm den Winkel-Endschalter, stoppt der Motor, und der Globus ist um den angegebenen Winkel gedreht
- Ein fester Endschalter wird verwendet, um den Globus in die normale Orbitposition zurückzuführen
- Ein Drehschalter mit drei Positionen steuert den Modus für den Landewinkel
- „МП“ wählt den Landeort aus
- „З“ zeigt die Position über der Erde an
- „Откл“ setzt die Landewinkelrotation zurück und schaltet den Mechanismus aus
Elektronik und Solenoid-Antrieb
- Der Globus ist überwiegend mechanisch aufgebaut, enthält aber auch eine Elektronikplatine
- Auf der Platine befinden sich vier Relais, ein Transistor, Widerstände und Dioden
- Die meisten Relais scheinen den Motor des Landepositions-Mechanismus vorwärts und rückwärts zu betreiben und ihn an den Endschaltern anzuhalten
- An beiden Enden der Relaisspule sind zwei in Serie geschaltete Dioden angeschlossen, die als Flyback-Diode wirken und den induktiven Spannungsspitzen beim Abschalten der Spule entgegenwirken
- Ein 360°-Potentiometer wandelt die Orbitposition des Raumschiffs in eine Spannung um
- Der Globus liefert dieses Spannungssignal an andere Systeme des Raumschiffs weiter
- Ob der Transistor auf der Platine diese Spannung verstärkt, ist noch Gegenstand der Untersuchung
- Das Gerät enthält für einen mechanischen Apparat ungewöhnlich viele Kabelbündel
- Alle Leitungen zum externen Steckverbinder waren abgeschnitten
- Der Steckverbinder folgt dem 32-poligen sowjetischen Militärstandard RS32TV
- Das Abschneiden der Leitungen könnte Teil der Ausmusterung gewesen sein
- Allerdings war das manipulationssichere Wachssiegel am Gehäuse unversehrt, was nicht ganz zu einer offiziellen Neuversiegelung passt
- Das Gerät wird von zwei Ratschen-Solenoiden angetrieben
- Eines ist für die Orbitrotation zuständig, das andere für die Erdrotation
- Die Solenoide erhalten 27V-Impulse bei 1 Hz
- Jeder Impuls bewegt das Zahnrad um einen Zahn weiter, während die Sperrklinke ein Zurückdrehen verhindert
Spuren der Apollo-Sojus-Mission
- Dem Globus wurden rosa Punkte und dreibuchstabige Beschriftungen in lateinischen Buchstaben hinzugefügt
- Bezeichnungen wie GDS, MIL, BDA und NFL stehen für NASA-Trackingstationen
- GDS steht für Goldstone
- MIL für Merritt Island
- BDA für Bermuda
- NFL für Newfoundland
- Diese Markierungen deuten darauf hin, dass dieser Globus für das Apollo-Soyuz Test Project gebaut wurde, bei dem 1975 ein Apollo-Raumschiff und eine Sojus-Kapsel andockten
- Ein VAN-Aufkleber mitten im Pazifik stützt die Verbindung zur Apollo-Sojus-Mission zusätzlich
- Die USNS Vanguard war ein NASA-Tracking-Schiff, das im Apollo-Programm Funklücken überbrücken sollte
- Während der Apollo-Sojus-Mission befand sich die Vanguard bei 25°S, 155°W, was exakt mit der Position des VAN-Punkts auf dem Globus übereinstimmt
- Als NASA-Trackingstationen sind CYI, ACN, MAD, TAN, GWM, ORR, HAW, GDS, MIL, QUI, AGO, BDA, NFL und VAN aufgeführt
Von Wostok bis Soyuz-TMA
- Die Geschichte des Globus reicht bis in die frühe sowjetische bemannte Raumfahrt zurück
- Die erste Version war der einfachere IMP, dessen Entwicklung 1960 für die Flüge von Wostok 1961 und Woschod 1964 begann
- Auch der frühe Globus IMP war in seiner Grundfunktion ähnlich wie der INK und zeigte sowohl die Raumfahrzeugposition als auch die Landeposition an
- Der IMP besaß unten rechts einen Orbitzähler; die Anzeige von Breiten- und Längengrad wurde für die Woschod-Flüge hinzugefügt
- Zwischen IMP und INK gibt es einige Unterschiede
- Der IMP besitzt unten keine Sonnen-/Schattenanzeige
- Es gibt keine Steuerung zur Einstellung des Landewinkels
- Orbitmodus und Landepositionsmodus werden nicht mit einem internen Schalter des Geräts, sondern mit einem externen Schalter ausgewählt
- Das komplexere Modell INK wurde ab 1967 für Sojus-Flüge gebaut und war Teil des Informationsanzeigesystems „Sirius“
- Das Neptun-IDS der Soyuz-T von 1976 und Neptun-M der Soyuz-TM von 1986 modernisierten den Großteil der Konsole, behielten den Globus INK jedoch bei
- Die Soyuz-TMA von 2002 wurde auf das System Neptun-ME aufgerüstet und verwendete digitale Bildschirme; der Globus wurde durch eine grafische Anzeige ersetzt
- Verwandtes Material ist unter Information Display Systems for Soyuz Spaceships verlinkt
Leistung und Grenzen
- Der Globus INK ist ein analoger Computer, der Bahnen mit einem raffinierten System aus Zahnrädern, Nocken und Differenzialgetrieben berechnet
- Er bot Kosmonauten eine hochauflösende Vollfarb-Positionsanzeige, die elektronische Raumfahrtcomputer der 1960er Jahre nur schwer liefern konnten
- Seine funktionalen Grenzen sind ebenfalls klar
- Startposition, Orbitgeschwindigkeit, Licht-/Schattenbereiche und Landewinkel des Raumschiffs müssen alle manuell eingestellt werden
- Es gibt keine externen Navigationseingänge wie eine IMU, wodurch die Genauigkeit begrenzt ist
- Unterstützt werden nur Kreisbahnen mit festem Winkel
- Moderne Digitaldisplays haben nicht den physischen Reiz eines rotierenden Globus, bieten aber deutlich mehr Funktionen
- Das Reverse Engineering läuft noch, und da für die russischen Beschriftungen Google Translate verwendet wurde, können sich einige Detailerklärungen noch ändern
1 Kommentare
Kommentare auf Hacker News
https://www.righto.com/2023/03/reverse-engineering-electroni...
https://www.righto.com/2023/03/reverse-engineering-globus-in...
https://www.youtube.com/watch?v=dmHaCQ8Ul6E
https://www.youtube.com/watch?v=CP5dfjxdkQ4
https://www.youtube.com/watch?v=eG29HrU6Slw
Deshalb soll es auch Probleme bei Weltraumspaziergängen gegeben haben. Denn wenn man das Innere der Kapsel dem Weltraum aussetzte, hätte die Elektronik platzen können
John Strausbaughs The Wrong Stuff: How the Soviet Space Program Crashed and Burned
https://www.hachettebookgroup.com/titles/john-strausbaugh/th...
Tatsächlich hat der Autor nicht einmal Primärquellen ordentlich genutzt: https://www.thespacereview.com/article/4851/1
Das ist ungefähr so, als würde man ein Buch über das Apollo-Programm empfehlen, das von einem Russen geschrieben wurde, der keine amerikanischen Dokumente gelesen hat. Wenn es ein westlicher Autor sein soll: James Harfords Korolev-Biografie stellt das sowjetische Raumfahrtprogramm besser dar und hat auch solide wissenschaftliche Rezensionen
https://hackaday.com/2014/10/28/retrotechtacular-fire-contro...
https://meshok.net/en/item/275902733_%D0%93%D0%9B%D0%9E%D0%9...
https://www.righto.com/2024/09/f4-attitude-indicator.html
https://www.popularmechanics.com/space/rockets/a19966/russia...